波动光学的知识和应用(波动光学的详细介绍)

1.波动光学的详细介绍

19世纪60年代,J. C.麦克斯韦建立了统一电磁场理论,预言了电磁波的存在并给出了电磁波的波速公式。

随后H. R.赫兹用实验方法产生了电磁波。光与电磁现象的一致性使人们确信光是电磁波的一种,光的经典波动理论与电磁理论融成了一体,产生了光的电磁理论。

将电磁理论应用于晶体,对光在晶体中的传播规律给出了严格而圆满的解释。19世纪末,H. A.洛伦兹创立了电子论,他把物质的宏观性质归结为构成物质的电子的集体行为。

电磁波的作用使带电粒子产生受迫振动并产生次级电磁波,根据这一理论解释了光的吸收、色散和散射等分子光学现象。这种经典的电磁理论并非十全十美,因在关于光与物质相互作用的问题上涉及微观粒子的行为,必须用量子理论才能得到彻底的解决。

波动光学的研究成果使人们对光的本性的认识得到了深化。在应用领域,以干涉原理为基础的干涉计量术为人们提供了精密测量和检验的手段(见干涉仪),其精度提高到前所未有的程度;衍射理论指出了提高光学仪器分辨本领的途径(见夫琅和费衍射);衍射光栅已成为分离光谱线以进行光谱分析的重要色散元件;各种偏振器件和仪器用来对岩矿晶体进行检验和测量,等等。

所有这些构成了应用光学的主要内容。 19世纪的光学是由英国医生托马斯·杨以复兴波动说的论文揭开序幕的。

1801年,杨向皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文,文中正式将干涉原理引入到光学之中,并且用这一原理解释薄片上的颜色和条纹面的衍射。在这篇论文中,杨还系统提出了波动光学的基本原理,提出了光波长的概念,并给出了测定结果。

正是由于光波长太短,以至遇障碍物拐弯能力不大,这也是人们很难观察到这类现象的原因。又于1803年发表了物理光学的实验和计算,对双缝干涉现象进一步作出了解释。

在1807年出版的《自然哲学讲义》中,杨系统阐述了他提出的波动光学的基本原理。几乎独立的提出的波动说的还有法国物理学家菲涅尔(1788~1827)。

1815年,他向科学院提交了第一篇光学论文,文中仔细研究了光的衍射现象,并提出了光的干涉原理。后来,菲涅尔与杨齐心协力,在波动学说基础上的光学实验大量涌现,使19世纪在波动光学方面取得了重大发展。

2.什么叫波动光学

波动光学是光学中非常重要的组成部分,内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等,无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位。粒子在光场或其他交变电场的作用下,产生振动的偶极子,发出次波。用这样模型来说明光的吸收、色散、散射、磁光、电光等现象,甚至光的发射也是一般波动光学的内容。电磁波理论应用到晶体称晶体光学。光波波长约为3.9-7.6*10 cm ,一般的障碍物或孔隙都远大于此,因而通常都显示出光的直线传播现象。这一时期,人们还发现了一些与光的波动性有关的光学现象,例如F.M.格里马尔迪首先发现光遇障碍物时将偏离直线传播,他把此现象起名为“衍射”。胡克和R.玻意耳分别观察到现称之为牛顿环的干涉现象。这些发现成为波动光学发展史的起点。17世纪以后的一百多年间,光的微粒说(见光的二象性)一直占统治地位,波动说则不为多数人所接受,直到进入19世纪后,光的波动理论才得到迅速发展。

几何光学是光学学科中以光线为基础,研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。在几何光学中,把组成物体的物点看作是几何点,把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合,光线的方向代表光能的传播方向。在此假设下,根据光线的传播规律,在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程,以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用

3.光学包括哪些知识

光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发,来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径,它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科,所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系,而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象,以及光在媒质界面附近的表现;也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。

4.波动光学的与几何光学关系

与可见光传播相关联的电磁场,其特点是振动非常之快(频率数量级为10s),或者说是波长非常短(数量级为10-15cm)。因此可以预期,在这种情况下,完全忽略波长的有限大小,可以得到光传播定律的良好一级近似。人们发现,对很多光学问题而言,这样处理是完全适合的。在光学中,可以忽略波长,即相当于λ0→0 极限情况的这一分支,通常称为几何光学,因为在这种近似处理下,光学定律可以用几何学的语言来表述。 衍射现象的一个最简单的典型例子——单狭缝的夫琅和费衍射。它包含着衍射现象的许多主要特征。来自光源S的光(例如激光)经望远镜系统构成的扩束器L1扩束直接投射到一狭缝上。在狭缝后面放置一透镜L2,那么在透镜L2的焦平面上放置的屏幕F'F上将产生明暗交替的衍射花样。其特点是在中央具有一特别明亮的亮条纹,两侧排列着一些强度较小的亮条纹。相邻的亮条纹之间有一暗条纹。如以相邻暗条纹之间的间隔作为亮条纹的宽度,则两侧亮条纹为等宽的,而中央亮条纹的宽度为其它条纹的两倍。人们将亮条纹到透镜中心所张的角度称为角宽度。中央亮条纹和其它亮条纹的角宽度不相等。中央亮条纹的角度等于 2λ/b(b为缝宽),即等于其它亮条纹角宽度的2倍。那么中央亮纹的半角宽度 Δθ=λ/b,正好等于其它亮纹的角宽度。

由于中央亮斑集中了大部分光能,所以它的半角宽度 的大小可作为衍射效应强弱的量度。式子Δθ=λ/b告诉我们,对给定的波长,Δθ与缝宽b成反比,即在波前上对光束限制越大,衍射场越弥散,衍射斑铺开的越宽;反之当缝宽很大,光束几乎自由传播时,Δθ→0,这表明衍射场基本上集中在沿直线传播的方向上,在透镜焦平面上衍射斑收缩为几何光学象点。式子Δθ=λ/b还告诉我们,在保持缝宽不变的条件下,Δθ与λ成正比,波长越长,衍射效应越显著;波长越短,衍射效应越可忽略。所以说几何光学是b>>;λ时的一种近似,或说λ→0的近似。除了直线传播定律之外,作为几何光学基础的另外两条定律-反射定律和折射定律,也都只在入很小的条件下才近似成立,所以几何光学原理的适用范围是有限度的,在必要的时候需要用更严格的波动理论来代替它。不过由于几何光学处理问题的方法要简单的多,并且它对各种光学仪器中遇到的许多实际问题已足够精确,所以几何光学并不失为各种光学仪器的重要理论基础。

波动光学的知识和应用

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